航天測試產品系統級電磁兼容性設計研究

姚靜波，辛朝軍，解維奇

（裝備指揮技術學院航天裝備系，北京 101416）

航天測試產品系統級電磁兼容性設計研究

姚靜波，辛朝軍，解維奇

（裝備指揮技術學院航天裝備系，北京 101416）

航天發射和運載火箭發射場的惡劣電磁環境對航天測試產品的電磁兼容性提出了非常嚴格的要求，需要設計師在設計初期充分考慮系統的電磁環境適應性問題。通過對國軍標和航天發射對測試系統電磁兼容性要求的分析，結合工程設計實踐，提出了一套航天測試產品系統級電磁兼容設計的方法，為整機系統的航天測試產品的電磁兼容設計提供了思路。

電磁兼容；航天測試；設計

隨著電子設備在航天測試領域的廣泛應用，越來越多的電子設備安裝在了發射場塔架附近狹小的空間范圍內，這些設備在工作時產生的各種電磁能量使得航天器及其測試電子設備所處的電磁環境非常復雜［1］。如何在惡劣的電磁環境中保證箭上及地面電氣設備工作的高可靠性，提高各種電氣電子系統、分系統、設備和元件的抗干擾能力，并使之達到完全兼容的工作狀態，已經成為航天領域電子設備設計必須面對的研究課題。

航天發射對航天測試系統的要求極為嚴格，而航天測試系統的電磁兼容性又對測試的精度及準確度以及被測對象有著至關重要的影響，因此必須從測試系統總體設計角度高度重視電磁兼容性的設計，必須將電磁兼容設計貫穿體現于航天測試產品系統、分系統的整個設計過程中。

筆者結合某型號運載火箭綜合測試系統工程設計實踐，從提高系統可靠性和穩定度的角度出發，就航天測試產品系統級EMC設計進行研究分析。

1 航天測試系統EMC設計要求

航天發射的特殊性對航天測試類產品的電磁兼容性（EMC，electromagnetic compatibility）設計要求非常嚴格，它要求測試系統在滿足GJB 151A—1997《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》的基礎上，EMC設計必須貫穿于系統設計的全部過程，并能夠顯著提升系統的抗干擾能力。系統的電磁兼容性必須有一定的安全裕度，并必須采取措施避免因自身或外部的電磁環境引起性能異常。同時還要采取措施減少系統工作時的非預期電磁干擾，將自身的電磁能量控制在一定的范圍內，使之能夠與其他系統兼容工作。

此外，系統的EMC設計必須兼顧系統設計的其他技術指標。一般情況下，航天測試產品系統級的EMC設計可分電氣設備、機械設備以及軟件的EMC設計3個方面內容進行并行設計。

2 電氣設備的EMC設計

干擾源、耦合通道和敏感設備是電磁干擾的3個要素，EMC設計的目的就是要針對上述3個要素，采取各種手段切斷干擾源、阻止其耦合通道并提高敏感設備的敏感度閾值。

EMC設計的內容主要包括優化信號設計、完善線路設計、合理布局、隔離、對消與限幅、濾波、接地、搭接、屏蔽等［2］。航天測試產品在進行系統級的EMC設計時，必須通盤考慮上述所有因素，以期取得最好的設計效果。

2.1 元器件的選擇

電氣設備的EMC設計，一個關鍵步驟在于模擬和邏輯器件的選擇，這樣既可以降低產品的成本，而且措施簡單、方便、易于實施和檢測，同時又能提高產品的可靠性，將電磁干擾抑制在萌芽狀態。在設計初期對電子元器件的選擇過程中，首先必須關注有源器件固有的電磁敏感度特性，選擇與系統電磁特性最匹配的有源器件。由于表面貼裝元件具有低寄生參數以及不需要PCB板上的安裝孔等特點，因此在元器件選擇時在滿足系統性能要求的情況下，應盡量選擇低電壓、低功耗的表面貼片元件；在數字電路設計時，應盡量降低系統工作頻率，以增加系統的穩定性、降低系統電磁輻射。

2.2 PCB設計

由于航天測試產品在尺寸上的嚴格要求，使得系統中PCB上電子元器件和線路的密集度不斷增加，不可避免地降低了系統的抗干擾特性。PCB上元器件、信號線、電源線以及地線位置的擺放，必須從EMC設計的角度整體考慮，采取正確的措施，才能既起到抗干擾又抑制電磁發射的作用［3］。

在進行PCB設計時，首先要根據實際需要，選擇合適的印制板類型，一般從EMC的角度考慮選取多層板，因為多層板可以設置專門的電源層和地層。這樣，一方面相當于地線變粗，保證了設備中電平的穩定，抗噪聲能力得到增強；另一方面也可以使信號線與地線之間形成一個極板間距很小的大電容，在提高PCB板抗干擾能力的同時降低了信號回路面積，使差模輻射大幅度減小。

為了避免器件之間的相互干擾，元器件的布局應按照電源、模擬、數字、高速、低速以及元器件之間的聯系進行分類，再依次設計地線、電源線、高速信號線、低速信號線等。信號線的布置最好根據信號的流向按順序安排，使PCB板上的信號走向流暢，同時盡可能減少元器件之間的走線長度，以進一步降低輻射和干擾。布線時信號線應過渡平滑，盡量避免線寬或走線方向的突變引起的電磁輻射，所有信號的回路面積應盡可能小，以盡量減少差模輻射。同一層上的信號線至少應保持8 mil以上的間距，不同層上的信號線走向應互相垂直，以減少信號線之間的電場和磁場耦合干擾。

2.3 濾波與隔離設計

濾波主要是解決通過傳導途徑造成的干擾［4］，一般可以通過選擇合適的濾波器實現。但由于航天測試產品的特殊性，普通的濾波器難以滿足其高可靠性的要求，因此需要對濾波電路，尤其是電源供電電路進行詳細設計，防止電源輸入端高頻信號竄入對系統產生影響。在進行電源供電電路設計時，應充分考慮雷電、電源濾波、屏蔽、接地等多方面因素，以保證良好的EMC效果。

由于在發射場附近存在著非常多的大功率干擾源，這些設備的啟動或停止瞬間，會產生浪涌電壓且伴隨火花干擾，并可能通過電源線進入設備，這些干擾僅靠電源濾波器或電容是無法完全消除的，因此，系統在包含FPGA的電路中，設計了數字濾波電路。數字濾波電路的基本原理是：設計一個獨立的計數器，當有輸入信號時，計數器對采樣脈沖進行計數，只有在采樣時間內連續計數到預定值時，即有效信號持續一定的時間時，視輸入信號有效，否則視為偽信號剔除。數字濾波電路的基本設計原理如圖1所示。

電路的隔離設計需要根據不同的電氣信號單獨設計，其主要功能是將從信號線竄入的干擾信號隔離在測量電路之前，使之對系統測試精度的影響降至最小。在模擬電路中，其供電系統的隔離主要采用電源隔離變換器來抑制被測對象和測試系統之間的電磁干擾，而其信號的隔離則采用有源或無源隔離變送器等。數字電路中的隔離器件主要使用光電耦合器件或電磁繼電器實現。

圖1 數字濾波原理圖

3 機械設備結構的EMC設計

測試系統機械設備結構的設計甚至個別器件安裝位置的設計，對系統的電磁兼容特性也有非常重要的影響，在機械設備結構的EMC設計方面，需要重點關注的是系統的接地設計和屏蔽設計。

3.1 接地設計

接地是為了向系統提供一個等電位的面，好的接地設計必須保證接地系統具有很低的公共阻抗，使系統中各路接地電路通過公共阻抗產生的直接傳導噪聲電壓最小。接地方式分為單點接地、多點接地、混合接地和浮地等。在本系統的設計中，低于1 MHz的模擬信號和數字信號采用單點接地方式，10 MHz以上的信號采用多點接地方式，頻率在兩者之間的信號采用混合接地的方式。數字地線、模擬地線和高頻信號地線分別采用專用電纜獨立設計，3類地線最終匯接到系統機殼接地點，通過該點接入大地。為了減小地線阻抗，機箱內部的地線均選用了AF-1.0以上線徑的導線，機殼接至大地的地線選用的是寬厚比為6∶1的編織銅帶。

3.2 屏蔽設計

屏蔽是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另外一個區域的感應和輻射。系統的屏蔽設計主要從兩點考慮，一是屏蔽材料的選擇，二是屏蔽體的電連續性設計。系統機箱的箱體作為系統的屏蔽體，材料類型和厚度對各類信號屏蔽所起的作用各不相同。鋁合金材質的機箱具有較高的導電、導磁特性，是一種較高效能的屏蔽體，可滿足測試系統設計要求，因此本系統選用鋁合金材質的全封閉機箱作為屏蔽體。在進行機箱的設計制作和安裝時，應盡量減小各接口處的縫隙，焊接焊縫必須平滑連續，可拆卸式接縫處應采用間距適宜的螺釘緊固，在通風孔處應安裝截止波導通風板，所有安裝連接處必須加導電襯墊以實現系統良好的導電連續性。

4 軟件的EMC設計

由于航天發射場電磁環境復雜多變，僅靠硬件措施不能完全消除電磁干擾的影響，當外界的干擾竄入系統并破壞程序的正常運行時，就有可能導致程序跑飛、紊亂、死鎖、甚至死機等故障的發生。軟件EMC設計的目的就是在保證系統在無干擾信號時正常工作，系統受到干擾發生故障時，軟件能及時返回正常狀態。

在進行程序設計時，首先應該構架工程化、模塊化的程序結構體系，這種類型的程序結構對于發現故障、定位診斷故障有著良好的幫助效果。

軟件設計中“看門狗”技術的應用，可以將陷入死循環的失控程序恢復到正常狀態，尤其是當系統受到嚴重干擾導致中斷方式控制字被破壞，使硬件中斷關閉的情況發生時，軟件實現的“看門狗”技術可以體現出更好的優勢。

在本系統的設計中，軟件設計使用了 “心跳”探測技術，即當系統采集到的數據每次發生變化時，系統會將數據及時上傳，而當系統較長時間無數據交互時，系統仍然定時送出一組特定數據，以確認系統處于正常工作狀態，類似于人的心跳特性。如較長時間無 “心跳”信號，則認為系統故障，自動跳入系統出錯處理模塊。

此外，在程序設計中還可以利用軟件靈活方便的特點，充分利用信息冗余技術、設置軟件陷阱等方法，設計防抖動、防跑飛、延時確認等功能，以有效提高系統的抗干擾能力。

5 結 語

電磁兼容性設計是保證航天測試產品可靠和安全穩定的重要指標，也是在進行系統設計時面臨的關鍵技術問題，系統級航天測試產品的EMC設計必須參照實際的電磁環境，從系統的開發階段開始，并貫穿于系統開發和生產的全過程，從電氣設備、機械結構和軟件設計等多方面采取相應的電磁兼容措施，最大限度地減小電磁環境對系統工作性能的影響，保證航天測試產品高可靠性地運行。

［1］ 王志強，陳啟忠，顧幸生.某航天系統控制器的電磁兼容設計［J］.宇航學報，2009，30（3）：1 159-1 163.

［2］ 曾 斌.關于航天電子設備結構的 EMC設計［J］.電子機械工程，2002，18（1）：56-58.

［3］ 王 丹，閆利超.高速 DSP系統的電路板級電磁兼容性設計［J］.現代電子技術，2010，33（14）：1-3.

［4］ 高社生，張玲霞.可靠性理論與工程應用［M］.北京：國防工業出版社，2002.

TN312

A

1008-1542（2011）07-0042-03

2011-06-20；責任編輯:張士瑩

姚靜波（1969-），男，甘肅甘谷人，副教授，主要從事檢測技術與自動化裝置方面的研究。